摘要:介紹了美國Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司推出的三維機(jī)械設(shè)計軟件Ｉｎｖｅｎｔｏｒ在模具設(shè)計中的應(yīng)用.以典型機(jī)械零件齒輪的建模為例,講解了Ｉｎｖｅｎｔｏｒ軟件自動計算出齒輪的常規(guī)特性和慣性特性的方法及其在設(shè)計中的應(yīng)用.

    關(guān)鍵詞:Ｉｎｖｅｎｔｏｒ;軟件;模具設(shè)計;有限元分析

　　目前在中國制造業(yè)ＣＡＤ技術(shù)已經(jīng)成為工程設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù),美國Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司開發(fā)的ＣＡＤ圖形數(shù)字化專用軟件,由于其功能強(qiáng)、易掌握、使用方便,二次開發(fā)性好,受到了世界各國工程設(shè)計人員的歡迎,被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、電子、化工、航天、汽車、輕紡、服裝、地理、廣告設(shè)計等領(lǐng)域.

　　針對我省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的實(shí)際,結(jié)合振興老工業(yè)基地和現(xiàn)代裝備制造基地建設(shè)的需求,加快三維ＣＡＤ應(yīng)用和三維造型分析計算等技術(shù)的工程化和產(chǎn)品化進(jìn)程,為企業(yè)信息化提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,高職學(xué)院應(yīng)該發(fā)揮應(yīng)有的作用.

　　美國Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司推出的三維機(jī)械設(shè)計軟件Ｉｎｖｅｎｔｏｒ,它與ＡｕｔｏＣＡＤ完全兼容.提供了獨(dú)特的草繪功能、簡單方便、快速智能的2Ｄ自適應(yīng)布局,可以方便地從二維轉(zhuǎn)換到三維,使用自動尺寸標(biāo)注可以完成所有的關(guān)鍵尺寸標(biāo)注,包含標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械零件庫.Ｉｎｖｅｎｔｏｒ提供了拉伸與旋轉(zhuǎn)、掃掠特征與螺旋體成型方法,具有生成組合與展示、工程圖與零件表、金屬盒(鈑金)各種各樣機(jī)械類零件的功能.

　　Ｉｎｖｅｎｔｏｒ具有優(yōu)秀的三維設(shè)計解決方案,杰出的三維參數(shù)化尺寸驅(qū)動系統(tǒng),產(chǎn)品零部件的各個視圖和圖紙數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性,獨(dú)特的自適應(yīng)技術(shù),優(yōu)秀的工程圖功能.在各種ＣＡＤ軟件家族中處于領(lǐng)先地位,一經(jīng)推出就深受用戶的歡迎,在計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域有著較高的市場占有率.Ｉｎｖｅｎｔｏｒ8 0是最新版本,該版本在運(yùn)行速度、整體處理能力、網(wǎng)絡(luò)功能等方面都達(dá)到了一個全新的水平.

　　1　在模具設(shè)計中的應(yīng)用

　　目前塑料零部件其制品已在電子、汽車、電機(jī)、電器、儀器、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用,60%～80%的塑料零部件都要依靠模具成形.用模具生產(chǎn)零部件所具備的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗,是其它加工制造方法所不能比擬的.由于塑料注射成型過程復(fù)雜,制品質(zhì)量不易保證.傳統(tǒng)的二維模具結(jié)構(gòu)設(shè)計已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術(shù)要求.模具設(shè)計、分析、制造的三維化、無紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺來設(shè)計模具.所以采用的三維數(shù)字化模型能方便地用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的ＣＡＥ分析、模具可制造性評價和數(shù)控加工、成形過程模擬及信息的管理與共享.因此在模具設(shè)計中應(yīng)用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ8 0的輔助設(shè)計功能,進(jìn)行精確的分析計算,還能夠用于機(jī)械零、部件的動平衡計算,能縮短設(shè)計周期,提高設(shè)計效率,便于模具結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的改進(jìn).實(shí)體模型還可以在強(qiáng)度計算的有限元分析中再次使用,實(shí)施優(yōu)化設(shè)計.

　　本文以齒輪為例,對齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.由于齒輪形狀比較復(fù)雜,以往在進(jìn)行計算時通常采用圖解法計算其體積、質(zhì)量和重心,即先將齒輪劃分成若干近似規(guī)則形狀的小塊,分別計算各小塊的體積、形心,再將其迭加后得到整個齒輪的體積和形心.這樣做費(fèi)時費(fèi)力,并且計算結(jié)果受到作圖精度的影響較大.為了提高設(shè)計效率,筆者應(yīng)用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ8 0軟件對齒輪進(jìn)行三維實(shí)體造型,并用軟件的輔助計算功能得出整個齒輪的體積、質(zhì)量和重心等幾何特性,從而提高了計算的精度和設(shè)計效率,并且便于塑料注射量的計算和模具結(jié)構(gòu)的合理改進(jìn).因此有效地運(yùn)用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ8 0的輔助設(shè)計功能,從而取得了簡潔、高效、精確的設(shè)計效果.

　　2　設(shè)計步驟

　　齒輪是最常用的機(jī)械零件,應(yīng)該根據(jù)齒輪參數(shù)和精度等級來繪制齒輪.

　　2 1　根據(jù)齒輪尺寸構(gòu)建二維草圖,建立尺寸之間的參數(shù)關(guān)系表

　　(1)在參數(shù)表中用戶參數(shù)表內(nèi)添加4個參數(shù):

　　齒數(shù)=39、模數(shù)Ｍ=4ｍｍ、齒形角Ａ=20°、齒厚=35ｍｍ,并且根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)的值和單位,如圖1所示.

　　(2)用草圖面板命令繪制齒形輪廓輔助線:

　　選擇“圓心半徑”繪制齒根圓ｄ1=Ｒ83,分度圓ｄ2=Ｒ78,齒頂圓ｄ3=Ｒ73.

　　分度圓=模數(shù)Ｍ×齒數(shù)Ｚ;齒根圓=模數(shù)Ｍ×齒數(shù)(Ｚ-2 5);齒頂圓=模數(shù)Ｍ×齒數(shù)(Ｚ+2 5).

　　選擇“直線”命令,根據(jù)節(jié)距Ｐ=ｍ×π,畫垂線計算出分度圓齒厚ｄ4=6 28ｍｍ.

　　繪制壓力角切線,如圖2所示.

　　(3)繪制齒形截面輪廓:

　　使用草圖面板“三點(diǎn)圓弧”畫齒形截面輪廓線,使輪廓線與壓力角切線和分度圓交點(diǎn)ａ相切應(yīng)用“鏡像”、“修剪”、“延伸”進(jìn)行修改后獲得如圖3所示.

　　2 2　三維造型設(shè)計

　　完成齒形截面輪廓后,基于草圖特征做三維造型設(shè)計,進(jìn)行三維拉伸,如圖4所示.

　　2 3　初步完成齒輪設(shè)計

　　作圓角特征完成齒輪如圖5所示.

　　對齒根圓與齒形的交線進(jìn)行圓角,輸入圓角半徑Ｒ=1 52.

　　對齒頂圓與齒形的交線進(jìn)行圓角,輸入圓角半徑Ｒ=0 38.

　　2 4　作三維陣列,完成全部齒形的繪制

　　繪制凸臺Ｒ=32 5ｍｍ,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)繪制花鍵孔,如圖6所示.

　　2 5　利用軟件中的相關(guān)工具查詢、計算整體齒輪的體積、質(zhì)量和重心

　　下拉菜單“文件”“零件特性”,打開“特性”對話框,選取選項卡“物理屬性”,在材料對話欄中選擇“ＡＢＳ”塑料,軟件自動計算出齒輪的常規(guī)特性和慣性特性,如圖7所示.

　　3　結(jié)論

　　通過以上實(shí)例我們可以看出,制造業(yè)不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新工藝諸如精密模具加工等對ＣＡＤ技術(shù)提出了新的要求.同時參數(shù)化造型設(shè)計、建模與修改的靈活性和有限元分析等對ＣＡＤ軟件的特性與功能也提出了愈來愈高的要求.

　　3 1　參數(shù)化造型

　　Ｉｎｖｅｎｔｏｒ的參數(shù)化造型是通過參數(shù)、尺寸關(guān)系和參考元素的方法把零部件設(shè)計意圖融入計算機(jī)輔助設(shè)計模型的強(qiáng)有力的工具.

　　在設(shè)計中首先建立用戶參數(shù)表,輸入齒數(shù)、模數(shù)、齒形角和齒厚等參數(shù).當(dāng)需要建立一個新齒輪時,只要在參數(shù)表中修改參數(shù)值,然后進(jìn)行更新操作,系統(tǒng)將自動生成一個新的齒輪模型.

　　3 2　建模與修改的靈活性

　　Ｉｎｖｅｎｔｏｒ提供了強(qiáng)大的建模功能,它是一個三維機(jī)械設(shè)計網(wǎng)絡(luò)軟件,與傳統(tǒng)的ＣＡＤ軟件相比較,可以在部件環(huán)境中在位創(chuàng)建零件和修改零件.在建立有多個零件的部件時,使用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ自適應(yīng)技術(shù)完成的零件可以自動調(diào)整大小和位置,建立起零件之間的裝配關(guān)系,能夠進(jìn)行復(fù)雜模具的裝配.

　　3 3　有限元分析

　　直接使用Ｉｎｖｅｎｔｏｒ軟件的材料庫,選取所需的材料,對三維零件模型的常規(guī)特性和慣性特性自動進(jìn)行計算.同時結(jié)合有限元分析軟件如(ＤｙｎａｍｉｃＤｅｓｉｇｎｅｒ,ＶｉｓｕａｌＮａｓｔｒａｎＦＥＡ),可以對復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真.能夠計算出機(jī)械系統(tǒng)零件的運(yùn)動情況,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力,還可以作出零件的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析.